机械设计

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白意东, 孙凌宇, 张明路, 刘肖雅, 李志龙

机械设计. 2020, 37(10): 1-13. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.001

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履带机器人具有高机动性和良好的越野能力，被广泛应用于军事、农业、建筑等领域，基于地面力学研究履带机器人的牵引性能、行驶阻力、越障能力具有重要意义。在车辆地面力学的发展中，针对履带与地面相互作用机理提出了很多研究方法，文中对其中的纯经验法、半经验法、模型试验法和数值分析法进行归纳分类和对比分析；对基于这些方法建立的评价机器人通过性的地面响应模型和影响牵引力的履刺效应模型进行总结，其中地面响应模型重点介绍了压力沉陷模型和剪切应力位移模型；最后，对履带机器人地面力学目前存在的问题做出了分析与讨论，给出了未来可能的研究方向，旨在为后续的研究提供参考与借鉴。

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内燃机主轴承座侧向螺栓对主轴承动静态特性影响规律研究

任培荣, 左正兴, 程颖, 张忠伟

机械设计. 2020, 37(10): 14-20. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.002

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利用模态缩减法建立曲轴机体柔性多体动力学模型，根据弹流润滑理论，微凸峰接触理论，考虑结构粗糙度和弹性变形，建立主轴承弹流润滑模型，研究主轴承座侧向螺栓及预紧力对曲轴振动及轴承润滑性能影响规律。搭建机体静力学模型，分析爆压时刻螺栓预紧力对变形特性影响规律。结果表明，无侧向螺栓时，轴颈受载方向位移较高，轴承载荷均匀度较好，润滑性能较优；但振动速度与加速度极高，振动性能恶化明显。有侧向螺栓时，随预紧力增加，润滑性能降低并逐渐平缓，振动特性则升高。爆发工况下，无侧向螺栓时，轴承失圆度与受载偏移量较高，变形特性较差；增加螺栓预紧力有助于提高轴承变形特性。因此，轴承侧向螺栓不可缺少；预紧力不可过低，同时无需过高，本模型35 kN左右较优。

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弹性支链6自由度并联机构缓冲减振性能分析

高琳, 段国林, 姚涛

机械设计. 2020, 37(10): 21-26. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.003

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针对工程实际中的多维振动与冲击现象，基于6-SPS并联机构构型设计了一种含弹簧支链的减振平台。建立了该减振机构平台的样机分析模型，基于D-H方法推导了并联减振机构的位移雅可比矩阵，采用New-Euler方法及虚功原理推导了动平台受到外激励时机构的自由振动微分方程，获得特征方程理论解的求解方法。通过ADAMS-Vibration动力学仿真分析模块求解机构的固有频率及模态主振型，获得动平台受到扰动外激励时的机构在X，Y，Z三个空间方位上的频率响应功率谱特性曲线。分析了当动平台受到冲击激励时系统的缓冲减振动力学性能，为6自由度并联机构缓冲减振平台的优化设计提供了理论基础。

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根原因与故障树相结合的冲突解决方法与应用

崔伟伟, 张爱国, 翟进进, 江屏, 黄冉

机械设计. 2020, 37(10): 27-34. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.004

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针对产品创新过程中冲突确定时的定性判断存在的冲突区域不确定性等问题，提出了故障树和根原因相结合的冲突解决方法。从系统的理想状态出发明确问题的解决目标，应用故障树从系统的各个方面寻找失效问题的原因，通过最小割集定义导致问题的失效形式，以根原因映射分析来明确导致冲突的最本质因素，引入功能失效分析确定冲突的核心区域，并将该问题转化为标准的工程参数来描述，选择合理的发明原理或分离原理解决，提高了寻找最优解的准确性。以封隔器失效问题为实例，应用上述冲突解决方法提出了金属橡胶封隔器胶筒设计方案，提高了其坐封能力和可靠性，验证了该冲突解决过程的可行性和有效性。

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飞机除冰车变幅机构铰点位置多目标优化设计

舒志鹏, 雷正保, 郭方云

机械设计. 2020, 37(10): 35-40. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.005

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为了提高飞机除冰车臂架系统的变幅平顺性，对臂架变幅机构建立数学模型，得到变幅油缸受力、变幅油缸伸缩量变化率及油缸行程的数学表达式。以三者各自的最大值最小为优化目标，以变幅机构3铰点位置为设计变量，利用MATLAB多目标遗传算法对其进行优化求解，运用基于信噪比的满意度函数对得到的Pareto优化解集进行决策，最终得到满意度最高的优化铰点位置。结果分析表明，油缸受力大小降低了23.9%、油缸伸缩量变化率降低了43.9%、油缸行程降低了4.4%，变幅性能得到明显优化，同时也为高空作业设备的实际工程应用提供了理论支持。

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干摩擦条件下载荷对黄豆/不锈钢摩擦学性能的影响

冉志勇, 安思佳, 田斌, 孙丽莹, 孟春玲, 黄志刚

机械设计. 2020, 37(10): 41-46. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.006

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食品加工机械领域不锈钢的摩擦学性能直接关系着食品安全。采用黄豆试样与316L不锈钢试样配副，利用球盘滑动摩擦磨损试验机在干摩擦条件下研究了载荷对其摩擦学行为的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）、三维形貌仪、质构仪和红外光谱仪对试样磨损表面的形貌、粗糙度、黄豆试样硬度及磨损表面成分进行了分析。结果表明：载荷增加，316L不锈钢和黄豆试样的磨痕宽度均增大，200 N载荷条件下不锈钢试样和黄豆试样的磨痕宽度分别约是50 N载荷条件下的2.3倍和2.2倍；载荷增加，摩擦因数曲线先升高后降低，200 N载荷条件下摩擦因数曲线波动幅度最小，稳定阶段平均摩擦因数约0.16；在摩擦过程中存在黄豆试样的种皮和子叶共同参与的现象；黄豆试样的磨损机制包括磨粒磨损和粘着磨损，而不锈钢试样则为磨粒磨损。

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含轴承间隙不平衡转子系统的动力学特性分析

张艳霞, 覃泽锋, 尹凤伟, 张凌云

机械设计. 2020, 37(10): 47-52. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.007

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将考虑轴承间隙的不平衡转子系统作为研究对象，建立系统的无量纲非线性微分方程，采用4阶龙格库塔变步长求解，通过计算机软件模拟得到非线性动态响应，综合运用分岔图、相图、最大碰摩力变化图研究了转速、阻尼系数、摩擦因数等参数改变对系统微分方程解的拓扑结构和稳定性的影响。研究表明：阻尼系数和摩擦因数在适当的参数域系统拓扑结构呈周期性，系统趋于稳定，在较小的阻尼系数和摩擦因数参数域系统处于混沌状态，转子轴承间隙内最大碰摩力变化明显；转速对系统的影响在小参数域处于混沌状态，在其他参数域系统解趋于稳定，拓扑结构呈周期性变化，其最大碰摩力在特定参数域出现峰值，而在实际的转子系统设计中应避开转子系统呈混沌状态或最大碰摩力出现峰值的参数域，从而提高转子系统的使用寿命。

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基于脱离速度的垂直气液两相管流流型识别

李凯, 史宝成, 廖锐全, 张兴凯, 刘自龙, 罗威

机械设计. 2020, 37(10): 53-58. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.20200921.001

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流型是影响垂直气液两相管流流动与传热特性的主要因素，因而流型识别是两相流研究的首要任务。经典模型中，通过折算速度、表面张力和密度来耦合流型转换边界，通过试验数据，以折算速度为轴量，绘制出目前普遍接受的流型图。文中提出一种基于脱离速度大小来识别垂直气液两相管流流型的新方法。该方法的优点在于，以速度为参考标准，更有利于在压力、温度变化的环境中找到两相流运动的规律。文中深入分析了垂直气液两相管流的流动机理，以脱离速度来定义流型转换边界，区分垂直管中的4种常见流态，并与实测数据完全吻合，同时这种理论分析方法也对垂直气液两相管流中的举升效率、共流液体、临界状态和流型本质差别有着更为合理的解释。

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考虑主动关节实际运动情况的1T2R冗余并联机构性能分析

吴孟丽, 张悦, 吕东洋, 陈莫

机械设计. 2020, 37(10): 59-65. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.008

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提出一种带有冗余被动支链的1T2R并联机构。建立运动副在一般位形下的螺旋形式，用以分析运动连续性。由位置和速度逆解推导出雅可比矩阵，分析得出该机构能有效避免奇异。考虑主动关节实际运动情况，基于STEP函数的可变性，通过增加主动关节达到最大转角速度的时间，在保持动平台位移和速度平稳的同时，可以显著降低加速度瞬时突变值。分析冗余被动支链对机构性能的影响，发现其存在可有效改善动平台振动偏移的问题。结果表明，该机构通过理论分析和创新设计，可有效提高运动稳定性，为后续优化打下良好理论基础。

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基于多目标遗传算法的复杂产品设计变更传播优化

骆建芬, 李孟泽, 李婷, 任海兵

机械设计. 2020, 37(10): 66-72. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.009

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针对复杂产品设计变更传播路径优化问题，将复杂网络理论应用于复杂产品结构建模中，以零部件为节点，零部件间的物理连接关系为边，定义变更传播影响为边的权重，建立了有向加权的复杂产品零部件网络模型。根据变更传播特点，构建了一种多目标优化模型，模型同时考虑了研制时间、研制成本及变更风险多个优化目标。采用非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ，NSGA-Ⅱ）实现模型求解，得到pareto最优解集，可为设计人员选择最优的设计变更方案提供重要依据。最后，以某型号吸尘器设计变更传播路径多目标优化为例验证了方法的可行性和有效性。

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基于遗传算法的汽车橡胶衬套数学建模及参数辨识

闫盖, 方明霞

机械设计. 2020, 37(10): 73-78. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.010

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文中以某汽车副车架的橡胶衬套为研究对象，采用理论与试验相结合的方法，对汽车橡胶衬套进行数学建模及参数辨识研究。首先建立了台架试验系统，在不同频率、幅值激励下通过试验获得橡胶衬套动力学特性数据，然后根据数据的迟滞非线性特性，建立橡胶衬套Bouc-Wen数学模型，并以最小二乘法对模型参数进行初步辨识，最后基于遗传算法对获得的参数值进行修正，并运用数值仿真方法对橡胶衬套的Bouc-Wen模型重构力-位移曲线，结果与试验结果吻合较好，误差在5%以内，验证了参数辨识方法的正确性和有效性。

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线段特征描述子在金具视觉识别中的应用

王华云, 邓志祥, 蔡木良, 秦轩, 张婧茹, 严宇

机械设计. 2020, 37(10): 79-84. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.011

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根据配网带电作业机器人在执行带电断、接引流线作业时的工作需求，提出一种利用线段描述子进行特征匹配的金具识别方法。方法选取金具轮廓线段组作为匹配特征，考虑尺度和旋转不变性，引入线段间夹角和补全长度之比两类特征构建描述子。为提高识别效率，设计了角度、位置关系预筛选和距离聚类方法两种加速策略。最后，计算待匹配线段组与模板线段组的描述子误差，小于阈值则完成匹配，实现对目标的识别。试验结果表明，该方法可以准确快速地识别出目标金具，定位图中金具位置，对于目标在图像中的缩放、平移、旋转、细微变形及复杂背景干扰均有很好的鲁棒性。

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轮毂电机驱动的电动汽车主动悬架构型与控制

曹青松, 许力, 易星

机械设计. 2020, 37(10): 85-92. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.012

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为提高轮毂电机驱动电动汽车行驶平顺性，在轮辋内安装3个对称弹簧-阻尼装置形成轮毂电机悬架，车身悬架为含直线电机作动器的主动悬架。建立1/4车辆悬架状态模型，采用二次型最优控制，获得直线电机最优输出力，对直线电机采用内环推力滞环控制、外环速度PID控制的双闭环控制方式跟踪输出这个最优力，实现主动悬架多闭环控制。利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，结果表明，基于直线电机的主动悬架在宽车速及不同路面激励下均可发挥良好作用。

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风力机叶片叶根与翼型间过渡曲面的余弦函数法探讨

赵云鹏, 姜海波

机械设计. 2020, 37(10): 93-96. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.013

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水平轴风力机叶片的叶根与翼型之间的圆滑过渡曲面的建立是叶片函数化设计的关键环节之一，该文将叶根圆截面型线函数表示成翼型函数的形式，用半个周期的余弦曲线的两个端点连接不同位置参数的方法，建立了余弦曲线过渡法，并用该方法对圆函数和翼型函数的对应参数值进行圆滑过渡，建立了叶根圆柱与翼型之间的过渡曲面函数。研究示例显示，只需对8个相应参数（包括系数和指数）的不同取值进行圆滑过渡即可建立过渡曲面，而系数和指数的过渡函数均可以由简单的余弦函数表达。

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传递空间最大化的4-PRP_a U并联机构尺度综合

车林仙, 文世坤, 陈国旺, 林雪冬, 蒋海义

机械设计. 2020, 37(10): 97-106. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.014

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以三移动一转动4-PRP aU并联机构为研究对象，采用人工蜂群（Artificial Bee Colony，ABC）算法求解机构尺度综合问题。应用坐标变换和矢量法，推导出机构位置逆解解析表达式。以旋量理论为工具，建立机构运动和力传递性能评价指标，给出规则有效传递工作空间（Regular Effective Transmission Workspace，RETW）定义和数值计算方法。以RETW半径最大为目标，建立机构尺度参数约束优化设计模型，并应用加速人工蜂群（Accelerated Artificial Bee Colony，aABC）算法求解该问题，给出机构尺度优化设计实例。结果表明，文中的优化模型和算法可行有效。还比较了基本ABC和aABC算法求解该尺度设计实例的寻优能力，数值试验显示，aABC算法的性能指标优于基本ABC算法。

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半挂车900 MPa级梁架承载仿真分析与优化

张楠, 田志凌, 张书彦, 赵阳

机械设计. 2020, 37(10): 107-113. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.015

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商用半挂车梁架在使役过程中承担着整车载货负荷、路面随机载荷、制动及转向等附加应力作用，是整车运输安全性保障的关键。文中通过半挂车900 MPa级高强钢梁架的动载应力实测，获得了标准路面载荷谱。基于谱图数据对刚性拘束的半挂车梁架进行了优化，建立了梁架与地面间的弹簧接触模型。结果表明：弹簧接触模型的计算结果与路谱实测值高度吻合，最大误差约2.998%，可准确描述实际路况。实测了梁架鹅颈位置在满载条件下的前6个共振频率，分别为11.9，18.5，25.3，30.1，43.1，48.8 Hz，这与模型模态分析结果高度一致。

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摩托车动力性评价指标分析与研究

陈亚娟, 王雪琴, 贾志超

机械设计. 2020, 37(10): 114-120. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.016

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动力性是摩托车最基本、最重要的性能指标，文中在基于摩托车整车动力性能测试获得的极限动力参数与DRE主观评价试验获得的主观感受分析研究的基础上，补充完善了整车的动力性指标：加速度和转速变化率，并通过基于用户模式的动力评价试验，验证了该指标的合理性和可行性。这两个指标的提出可以实现静态测试、极限动力和主观感受的对应和匹配，可以用来指导车辆的正向开发设计。

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用户评价驱动的产品服务系统优化设计方法

李瑞琪, 李亚军, 高醒星

机械设计. 2020, 37(10): 121-127. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.017

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为解决产品已有功能或模块不能满足用户需求的问题，提出了一种基于用户评价驱动的产品服务系统优化设计方法。通过对用户评价数据进行分析处理，转换输出为用户需求，将用户需求与现有产品服务系统中的产品模块和服务模块相匹配，结合不同模块的优化设计成本和重要度，构建优化设计模型。通过求解模型，识别出待优化模块，并对优化要素取值，最终对优化方案进行评价，并验证优化方案的有效性。以石墨烯热载体油电加热热水器的产品服务系统优化设计为例，验证了该方法的可行性，为产品服务系统的优化设计提供参考。

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老年智能健康检测一体机的人机工程设计与仿真分析

陆宁, 朱读鑫, 李芳宇

机械设计. 2020, 37(10): 128-133. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.018

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为提升健康检测一体机的使用舒适性，通过分析老年人生理和心理的变化，确定智能健康检测一体机的功能和模块分类。采用3D软件构建健康检测一体机数字模型，导入Jack虚拟仿真软件，从人机尺寸、舒适性、可达性及可视域4方面分析不同功能下的人机交互行为，得到该设备人机适配性的关键部位，结合受力分析结果对关键部位进行改进设计，并对改进后的检测一体机进行舒适性仿真验证。结果表明：老年用户的肌肉关节和腰背部受力明显降低，操作舒适性增强，研究结果可为老年人无障碍设计提供参考。

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改进Delphi和多属性决策的老年服务机器人造型设计评价

张婉玉, 周春燕, 陈宇

机械设计. 2020, 37(10): 134-138. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.019

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为提升老年服务机器人造型设计方案选择和评价的准确性，基于改进Delphi法和多属性决策方法，以4款老年服务机器人的造型设计方案为例，建立评价指标体系和评价模型，利用网络博弈Delphi评价平台的专家打分结果，结合离差最大化的多属性决策进行加权运算，选择最优方案。研究发现：网络博弈Delphi结合多属性决策法可提升老年服务机器人造型设计评价的合理性和可行性，实现设计方案的科学选择。该方法可为产品造型设计方案的评价和选择提供参考。

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基于FBS模型与可拓变换的手部康复产品设计方法

王年文, 刘蕴华

机械设计. 2020, 37(10): 139-144. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.020

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为提升手部康复训练器设计的合理性和准确性，提出一种基于FBS与可拓学集成的产品设计方法。通过用户调研分析，得出用户需求与产品结构间的层次关系，借助熵权法对产品需求优先级排序；以FBS模型为设计框架，进行功能-行为-结构的映射，结合发散树方法对总功能进行事元发散，映射出相应的实际操作行为；根据不同的用户需求，将系统组件分层并建立物元，运用可拓变换中的增变换和置换变换对行为进行增添和替换，得到期望行为，映射出相应结构进行可拓变换，实现手部康复训练器再设计。研究表明：以熵权法为基础的FBS模型与可拓变换相结合的设计方法不仅能提升手部康复训练器的功能结构，也可为产品创新设计提供参考。

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智能AGV自动泊车机器人造型设计

刘佳, 惠尔康

机械设计. 2020, 37(10): 145-145. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.10.021